Bliksem‑geïnspireerde plasma‑elektrochemische reactor kan onze ammoniakbehoefte oplossen met nul koolstofvoetafdruk

De Weg Vinden Naar Een Ammoniak‑economie

Naarmate hernieuwbare energieën vorderen, worden enkele beperkingen duidelijker. De intermitterende aard van hernieuwbare energie vereist energieopslag, die batterijen kan zijn, zoals we onderzochten in ons artikel “De Toekomst Van Energieopslag—Utility-Scale Batterijen Technologie.”

Echter, sommige vormen van energieverbruik zijn zeer resistent tegen elektrificatie. Bijvoorbeeld langeafstandszeevaart of luchtvracht.

Voor deze toepassingen is een dicht vloeibaar brandstof de voorkeur en waarschijnlijk de meest waarschijnlijke optie voor luchtvaart. Om fossiele brandstoffen te vervangen, wordt ammoniak beschouwd als een solide alternatief. Ammoniak is ook een belangrijke verbinding bij de productie van meststoffen en chemicaliën zoals explosieven.

Momenteel is ammoniak verantwoordelijk voor 1,8 % van het wereldwijde energieverbruik en de CO₂‑emissies, en dat nog voordat we het voor transport proberen te gebruiken. Het wordt momenteel geproduceerd door methaan te verbranden, waardoor zogenaamde grijze ammoniak ontstaat. Een beter alternatief zou zogenaamde groene ammoniak zijn, geproduceerd uit hernieuwbare energie.

Het probleem is dat groene ammoniak voorlopig veel duurder is dan op olie gebaseerde brandstoffen of grijze ammoniak. Voor een groot deel komt dit doordat ammoniak wordt geproduceerd met behulp van waterstof, die zelf duur is om via elektrolyse te produceren.

Alternatieven zoals lithium‑gemedieerde katalyse zouden mogelijk en goedkoper kunnen zijn, maar misschien nog steeds niet goedkoop genoeg.

Maar er zou een alternatief voor waterstof kunnen zijn, althans volgens onderzoekers van de Buffalo State University of New York en de University of Auckland (Nieuw‑Zeeland). Zij publiceerden onlangs hun bevindingen over het produceren van ammoniak met plasma in het Journal of the American Chemical Society onder de titel “Controlling the Reaction Pathways of Mixed NOxHy Reactants in Plasma‑Electrochemical Ammonia Synthesis¹”.

De Veel Paden Naar Ammoniakproductie

Stikstof (N₂) is zeer overvloedig op aarde en vormt 78 % van de atmosfeer. Maar om bruikbaar te zijn voor planten of als chemische stof, hebben we het nodig in de vorm van ammoniak (NH₃) of nitraat (NO₃). Het toevoegen van deze waterstofatomen aan het stikstofatoom is een zeer energie‑intensief proces.

Een manier om dit te doen is via speciale bacteriën, zogenaamde stikstofbindende bacteriën. Dit is een van de grootste bronnen van natuurlijk stikstof (100–300 teragram stikstof per jaar wereldwijd), maar over het algemeen onvoldoende voor intensieve landbouw.

Zoals eerder vermeld, is een andere methode het gebruik van waterstof (H₂), maar groene waterstof produceren is duur.

Er is echter een derde manier om ammoniak te produceren, die soms in de natuur voorkomt. Wanneer bliksem inslaat, breekt de intensiteit van de elektrische stroom de N₂, waardoor verschillende vormen van stikstofoxiden ontstaan.

Bron: Britannica

In de natuur worden deze stikstofoxiden vervolgens door bacteriën omgezet in ammoniak. Dit is slechts een klein deel van de natuurlijke ammoniakproductie, in de orde van 3‑10 teragram. Dit is iets dat kunstmatig kan worden gerepliceerd, waardoor de noodzaak voor waterstof volledig wordt omzeild.

Menselijk Gemaakt Plasma Vervangt Bliksem

De onderzoekers injecteerden lucht in een plasmareactor, een container met een elektrode en een glazen buis. De plasmavermogens nabootsen het effect van bliksem, waardoor een complexe mix van stikstofoxiden in de reactiekamer ontstaat.

Bron: ACS Publication

Deze gemengde gassen worden vervolgens naar een katalytische reactor gestuurd die een koper‑palladiumlegering bevat, gestructureerd als een schuim. Deze katalysator is verantwoordelijk voor het eerst absorberen van de stikstofoxiden uit de resterende lucht en vervolgens het vervangen van de bacteriën die in de natuur de oxiden in ammoniak zouden hebben omgezet.

Fijn Afstemmen van de Katalyse

De tweede stap van het omzetten van stikstofoxiden in ammoniak is allesbehalve eenvoudig.

“Wanneer plasmenergie of een blikseminslag stikstof activeert, genereer je een soep van stikstofoxideverbindingen. Het gelijktijdig omzetten, in ons geval, van tot acht verschillende chemische verbindingen naar ammoniak is ongelooflijk moeilijk.”

Xiaoli Ge – Postdoctoraal onderzoeker aan de University at Buffalo

Het is ook een probleem omdat stikstofoxiden enigszins vervuilend zijn, en elke grootschalige productie van ammoniak met deze methode zo min mogelijk resterende stikstofoxiden moet hebben.

Dus moesten de onderzoekers een reeks bimetallische katalysatoren creëren die vervolgens fijn werden afgestemd om te mikken op “de optimale adsorptie en omzetting van het beperkende intermediair in het NOx‑naar‑NH3 pad”.

Ze gebruikten een wiskundig proces genaamd graafentheorie om alle verschillende reactieroutes in kaart te brengen. Op deze manier konden ze vanaf het begin de knelpunten identificeren en de omzettingsrendement verbeteren.

Door dit te doen ontdekten ze dat de meeste stikstofoxideverbindingen via stikstofoxide of amine moeten gaan als een tussenstap voordat ze ammoniak worden. Dus maakten ze een katalysator die gunstig bindt met die twee verbindingen.

Opschalen

Het uiteindelijke ontwerp behaalde een ammoniakproductiesnelheid van 81,2 mg/u/cm². De plasmachamber en de koper‑palladiumkatalysator waren stabiel na meer dan 1.000 uur werking bij een aangelegde stroom van 2 ampère.

Het onderzoeksteam onderzoekt nu de volgende stap voor het opschalen van hun experimentele reactor, waarbij zowel een startup als licentiëring van de technologie aan industriële partners wordt overwogen. De Universiteit van Buffalo heeft ook een octrooiaanvraag ingediend voor de reactor.

In tegenstelling tot de huidige op fossiele brandstoffen gebaseerde productie, zou deze op plasma gebaseerde ammoniakproductie enkele belangrijke voordelen bieden:

• Volledig aangedreven door elektriciteit voor plasmageneratie, kan het worden gevoed door 100 % groene energie.
• Het kan worden geïntegreerd in een middelgrote container en aangesloten op zonnepanelen, zonder de enorme schaal van huidige ammoniakfabrieken te vereisen.
• Verdere vooruitgang in katalysescience kan helpen de kosten van het systeem te verbeteren, evenals de voortdurend dalende kosten van groene energie, met name zonne‑energie.

“Je kunt je onze reactoren voorstellen in iets als een middelgrote zeecontainer met zonnepanelen op het dak. Deze kan vervolgens overal ter wereld worden geplaatst en op aanvraag ammoniak genereren voor die regio.

Dat is een zeer opwindend voordeel van ons systeem, en het zal ons in staat stellen ammoniak te produceren voor onderontwikkelde regio’s met beperkte toegang tot het Haber‑Bosch‑proces.”

Chris Li – Assistent‑professor chemie

Mogelijk kan het onderzoeken van andere opties die geen duur palladium vereisen, zoals een bioreactor met de juiste bacteriën, ook een optie zijn voor verdere ontwikkeling, maar het kan moeilijk zijn om op te schalen tot het volume dat nodig is om van ammoniak een wereldwijde brandstofbron te maken.

Investeren in Ammoniak

We hebben al enkele groene ammoniak investeringsmogelijkheden behandeld in eerdere artikelen, evenals de wetenschap erachter, met name “De Andere Waterstofbrandstof – Top 5 Groene Ammoniak Aandelen” en “Decarbonisatie van Wereldwijde Scheepvaartroutes via Groene Ammoniak”.

Echter, met betrekking tot de opkomst van dit nieuwe op plasma gebaseerde ammoniakproductieproces, zou een relevantere aandeel om in te investeren een palladiummijnwerker kunnen zijn, aangezien elke opschaling van de productie een enorme hoeveelheid van de door de onderzoekers gebruikte katalysator zou vereisen.

Palladium werd in 2023 voornamelijk geproduceerd door Rusland en Zuid‑Afrika, gevolgd door Canada en Zimbabwe.

Bron: Statista

En, natuurlijk, directe investering in palladium, in de vorm van munten of metalen staven, is ook mogelijk via verkopers van edelmetaalbullion.

Bron: US State Mint

Palladiumprijzen zijn de afgelopen jaren zeer volatiel geweest, met een enorme prijsstijging als gevolg van de Oekraïne‑oorlog en het belang van de Russische levering op deze markt. Ze zijn sindsdien weer gedaald.

Bron: Investing.com

1. Sibanye Stillwater Limited

Verreweg het grootste palladium‑ en platina‑gerichte bedrijf, Sibanye Stillwater (SBSW ), is een leider in zijn sector. Het is ook ‘s werelds grootste rhodiumproducent.

Naast deze metalen is het ook een producent van andere platina‑groepsmetalen, zoals iridium en ruthenium. Voor een groot deel komt dit doordat de metalen van de Platinum Metal Group (PGM) vaak samen in dezelfde ertsen worden aangetroffen en gedolven.

Stillwater

In september 2024 kondigde Sibanye Stillwater aan dat het zijn Montana Stillwater‑mijn zou herstructureren, waarbij de productie van die mijn met 45 % wordt verlaagd om kosten te besparen. De mijn, die meer palladium dan platina bevat, heeft geleden onder de lage palladiumm prijzen.

Dit leidde tot een enorme afschrijvingslast van $435 M, waardoor het bedrijf in H1 2024 een verlies registreerde.

Dit zou het ook een waardevol slapend actief maken voor het geval palladium een belangrijke “energieteen” wordt om ammoniak op grote schaal te produceren met plasma.

Het is ook vermeldenswaard dat de huidige prijzen nauwelijks voldoende zijn om de productiekosten te dekken voor de meeste platina‑rijke regio’s, waardoor het een bodemplateau voor de industrie vormt vóór mijnsluiting.

Bron: Sibanye Stillwater

Sibanye Stillwater diversifieert momenteel van een zuivere PGM‑mijnwerker naar de goud‑ en batterijomarkt, met name voor een lithiummijnproject in Finland.

Bron: Sibanye Stillwater

Het bedrijf heeft ook een aanwezigheid in de uraniumwinning met het Beisa‑uraniumproject in Zuid‑Afrika. Het heeft dit recentelijk verkocht aan Neo Energy in ruil voor een aandelenbelang van 40 % in Neo Energy, evenals royalty’s op alle verkochte uranium, met betalingen begrensd tot $5 per pond, afhankelijk van de spot‑uraniumprijs.

“De verkoop van de Beatrix‑4‑schacht en het Beisa‑uraniumproject is in lijn met de strategie van Sibanye‑Stillwater om waarde uit onze uraniumactiva te ontsluiten.”

Neal Froneman – Sibanye‑Stillwater CEO

Over het algemeen is Sibanye‑Stillwater ‘s werelds grootste internationale PGM‑mijnbedrijf, en haar aandeelhouders zouden sterk profiteren van de verschuiving in de energiesector naar waterstof of ammoniak als transportbrandstof. Dit komt omdat bijna alle mogelijke technologieën in dit segment ofwel platina, palladium of rhodium nodig hebben voor waterstofelektrolyse, ammoniakproductie of brandstofcellen, vanwege de fundamentele fysica van katalytische waterstofreacties die deze speciale metalen vereisen.

Het breidt zich ook uit naar koolstofarme energie, van lithium tot uranium, waardoor het een van de mijnbouwbedrijven is die het meest waarschijnlijk zal profiteren van de omslag naar een groene economie aangedreven door hernieuwbare energie en waterstof/ammoniak.

Studieverwijzing:

^{1. Ge, X., Zhang, C., Janpandit, M., Prakash, S., Gogoi, P., Zhang, D., Cook, T. R., Waterhouse, G. I. N., Yin, L., Wang, Z., & Li, Y. C. (2024). Controleren van de reactieroutes van gemengde NOxHy‑reactanten in plasma‑elektrochemische ammoniaksynthetisatie. Journal the American Chemical Society, 146(51), 35305–35314. https://doi.org/10.1021/jacs.4c12858} in het Nederlands.